V kirminjih luknjah in potovanju skozi čas

Ark znanja · Vesolje · 09. poglavje / 06. članek

Kaj pa, če bi v vesolju obstajala krajša pot?

Črvine fizikom omogočajo raziskovati, kako bi prostor-čas lahko povezal oddaljene kraje in ali bi takšne povezave lahko ustvarile časovne zanke. Matematični opis je podroben. Ali je mogoče takšno geometrijo pretvoriti v resničen objekt, po katerem bi bilo mogoče potovati, ostaja odprto vprašanje.

Hipotetične geometrijeKvantne omejitveVzročnost in čas

Konceptualna ilustracija hipotetične povezave v prostoru-času.

GeometrijaAli v predlaganem prostoru-času obstaja pot, po kateri bi popotnik zares lahko potoval?

SnovAli lahko fizikalno mogoča polja zagotovijo potrebno energijo in napetosti?

VzročnostAli bi celoten sistem omogočil dogodku vplivati na lastno preteklost?

Črvine in potovanje skozi čas

Rešitev je začetek vprašanja.

Predstavljajte si, da do oddaljenega cilja pridete po krajši poti skozi prostor-čas. Črvina je eden od načinov za matematično preučevanje te možnosti.

Od matematičnega zapisa geometrije do njenega odkritja v naravi je treba opraviti več preverjanj: kaj jo podpira, kako nastane, ali prenese motnje in katera opazovanja bi jo razkrila. Ta članek obravnava ta preverjanja in jasno razlikuje med izmerjenim časovnim raztezanjem in hipotetičnimi potovanji v preteklost.

Sprememba poti lahko spremeni potovanje

Kaj je črvina?

Hipotetična črvina je geometrija prostora-časa, ki povezuje območja z dodatno potjo. Njena vhoda običajno imenujemo ustji; ozko povezovalno območje pa vrat. Odvisno od modela lahko ustji vodita v različni območji istega vesolja ali v ločeni zunanji območji.[1]

Diagramoje daroma prielaida apie pereinamą jungtį. Trumpesnis kelias galėtų sumažinti kelionės laiką, keliautojui vietiškai judant lėčiau už šviesą. Tikrieji atstumai ir kelionės trukmė priklausili od geometrije prostora-vremena.[1]

Sulenkto popieriaus vaizdiniai padeda įsivaizduoti trumpesnį kelią, tačiau papildomas jų piešinio matmuo – vizualizavimo priemonė. Fizinis klausimas susijęs su atstumais ir priežastiniais keliais pačiame erdvėlaikyje. Kirmgrauža nebūtinai yra vamzdis, išlinkstantis per aplinkinę erdvę, į kurią galėtume patekti kitu būdu.[2]

Matematinis tiltas vis tiek gali būti nepereinamas

Kurias kirmgraužas galėtų pereiti keliautojas?

Einšteino–Roseno tiltas

Dar 1935 m. Einšteinas ir Rosenas pristatė tilto konstrukciją, tirdami dalelių aprašymą bendrojoje reliatyvumo teorijoje. Jų tikslas nebuvo tarpžvaigždinio transporto projektas.[3]

Tiltas maksimaliai išplėstoje amžinojoje Schwarzschildo geometrijoje matematiškai jungia dvi išorines sritis. Tačiau nei masyvus keliautojas, nei fotonas negali pereiti iš vienos išorės į kitą. Jo nepereinamumas kyla iš priežastinės struktūros, net niekam nebandant į jį patekti.[4]

Morriso–Thorne’o klausimas

Morrisas ir Thorne’as vietoj to klausė, kokios geometrijos reikėtų žmogui pereiti. Jų gerai žinomuose statiniuose sferiniuose modeliuose kaklelis turi likti atviras, kelyje neturi būti įvykių horizonto, o potvyniniai įtempiai ir kelionės trukmė turi tikti keliautojui.[5]

Užrašius tokių savybių geometriją lieka kita užduotis: nustatyti ją palaikančią medžiagą ir laukus. Statinis sprendinys taip pat pats neįrodo, kad sistema galėtų susidaryti ar po trikdžio liktų stabili.[5]

Sunkiausia dalis – reikiamas energijos ir impulso tenzorius

Kodėl diskusijoje atsiranda neigiama energija?

Einšteino lygtys susieja erdvėlaikio kreivumą su energija, judesio kiekiu, slėgiu ir kitais įtempiais. Standartiniam Morriso–Thorne’o kakleliui Einšteino gravitacijoje geometrijos atsivėrimas reikalauja pažeisti nulinę energijos sąlygą netoli kaklelio.[5]

Trumpa nulinės energijos sąlygos forma

T_μνk^μk^ν ≥ 0

Tai turi galioti kiekvienam nulinės normos vektoriui k, žyminčiam šviesinę kryptį. Silpnoji energijos sąlyga vietoj to reikalauja neneigiamo energijos tankio kiekvienam laikiškajam stebėtojui. Tai susijusios energijos ir impulso prielaidos, o ne sukeičiami apibrėžimai.[6]

Vien neigiamo slėgio nepakanka. Idealiajam fluidui nulinė energijos sąlyga yra ρ + p ≥ 0, kai ρ išreikštas energijos tankiu. Kosmologinė konstanta turi p = −ρ ir pasiekia šios sąlygos lygybę. Kirmgraužos įtempiai paprastai priklauso nuo krypties, todėl svarbus radialinis slėgis.[6]

Ką kvantinė fizika leidžia – ir apriboja

Kvantiniai laukai gali turėti neigiamą vietinį renormalizuotą energijos tankį, apibrėžtą tinkamos atskaitos būsenos atžvilgiu. Tai nesuteikia laisvai surenkamos medžiagos su neribota neigiama energija. Kvantinės energijos nelygybės apriboja tinkamus vidurkius; tikslios ribos priklauso nuo lauko ir fizinių sąlygų.[7]

Kazimirova sila med bližnjima površinama je bila izmerjena. To opažanje preverja kvantne učinke polja, ki so odvisni od robnih pogojev; ne dokazuje pa obstoja snovi, ki bi lahko ohranjala črvino odprto.[8]

Običajna antimaterija prav tako ne ponuja bližnjice pri izpolnjevanju te zahteve: antidelci so vzbuditve s pozitivno energijo, tako kot običajni delci. Nasproten električni naboj ne pomeni negativne energije.[9]

Ford in Roman sta za statične sferične črvine uporabila kvantne omejitve in ugotovila stroge omejitve velikosti njihovih vratov ter območij negativne energije. Njuna analiza določa stroge meje, ki veljajo ob določenih polklasičnih predpostavkah, vendar ne gre za izrek, ki bi izključeval vse možne modele črvin.[10]

Ura, ki tiktaka počasneje, in zanka v preteklost sta različna pojava

Kaj v fiziki pomeni »potovanje skozi čas«?

Potovanje v prihodnost drugih ljudi

Za dve uri, ki se gibljeta po različnih trajektorijah v prostoru-času, lahko preteče različna količina lastnega časa. Popotnik se lahko vrne manj postaran kot tisti, ki so ostali. Razlike v relativističnih odčitkih ur so eksperimentalno potrjene, tudi s primerjavami, pri katerih so uporabili natančne atomske ure.[11]

V tem smislu popotnik doseže poznejše življenjsko obdobje drugih ljudi, čeprav zanj samega mine manj časa. Obe uri na svojih trajektorijah še vedno tečeta naprej; ta proces popotnika ne vrne v zgodnejši dogodek.[11]

Vrnitev v dogodek iz lastne preteklosti

Tako imenovana zaprta časovna krivulja ali CTC je v prihodnost usmerjena časovna trajektorija, ki se v prostoru-času sklene sama vase. Če obkrožite planet, se vrnete na isto mesto pozneje. CTC vas vrne v isti dogodek v prostoru-času, zato postane vzročna zanka mogoča.[12]

V nekaterih matematičnih rešitvah se pojavljajo takšne krivulje. Gödlov model vrtečega se vesolja je znan primer; njegove lastnosti ne opisujejo vesolja, ki ga opazujemo. To, da najdemo rešitev enačb, še ne dokazuje, da lahko tak prostor-čas v naravi nastane v realističnih razmerah.[13]

Najprej predpostavimo, da obstaja prehodna črvina, nato pa preučimo posledice

Kako bi lahko dve ustji ustvarili časovno zanko?

V miselnem poskusu Morrisa, Thorna in Yurtseverja lahko zaradi relativnega gibanja ustja črvine skozi njiju preteče različno lastnega časa, medtem ko črvina, ki ju povezuje, še vedno obstaja. Če ustji ustrezno namestimo, lahko potovanje skozi njiju poveže dogodke, ki jim zunanje ure pripisujejo različna časa.[2]

Ta konstrukcija temelji na predpostavki, da bosta črvina in polja, ki jo vzdržujejo, obstajala ves čas postopka. Gre za pogojni argument o geometriji, ne za potrjeno inženirsko metodo.[2]

Izmišljen primer, v katerem je časovni zamik med ustjema že vzpostavljen. Vsi časi so navedeni po skupnem dogovoru o odčitkih ur v zunanjem mirujočem referenčnem sistemu; popravek za prehod v trajanju 0,1 leta ni opredeljen kot lastni čas popotnika. Da bi potovanje po zunanji poti trajalo eno leto, si predstavljajte ustji, ki sta 0,8 svetlobnega leta narazen, in potovanje s hitrostjo 0,8c, pri čemer zanemarimo intervale pospeševanja.[14]

Zamik presega vsoto popravka za prehod in trajanja potovanja po zunanji poti. Ker se vrnemo v B prej, ostane čas za čakanje in sklenitev zanke.[14]

Že sam časovni zamik ne zagotavlja CTC. Biti mora dovolj velik glede na trajanje možne povratne poti, da se lahko celotno potovanje sklene v zanko.[2]

Ključnega pomena postaneta konsistentnost in kvantni povratni vpliv

Ali bi narava preprečila izdelavo časovnega stroja?

Paradoksi odpirajo vprašanje konsistentnosti zgodovine dogodkov

Paradoks dedka si predstavlja dejanje, ki odpravi pogoje, potrebne za izvedbo istega dejanja. Vendar se lahko pri klasičnih raziskavah zaprtih časovnih krivulj (CTC) vprašamo, ali obstajajo notranje konsistentne zgodovine. Nekateri poenostavljeni modeli imajo konsistentne rešitve, včasih tudi več kot eno. To ne dokazuje, da časovni stroji obstajajo ali da bi popotniki lahko poljubno spreminjali zabeleženo preteklost.[15]

Hawkingova hipoteza o zaščiti kronologije

Hawking je predlagal, da bi zakoni fizike lahko preprečevali nastanek zaprtih časovnih krivulj. Ko se približujemo nastanku območja, ki krši kronologijo, bi se kvantna polja lahko močno odzvala in spremenila geometrijo zaradi povratnega vpliva. Ti argumenti spodbujajo razmislek o zaščiti kronologije; niso univerzalen dokaz, ki bi izključeval možnost kakršne koli vzročne zanke.[16]

Kay, Radzikowski in Wald so dokazali konkretnejšo oviro: pri razredu horizontov in kvantnih polj, ki so ga obravnavali, na določenih točkah horizonta standardni pogoj regularnosti kvantnega stanja ni več izpolnjen. Na teh točkah običajni način konstruiranja renormaliziranega energijsko-gibalnega tenzorja ne deluje več. To ne dokazuje, da je energija povsod neskončna, in ne določa, kakšen rezultat bi dala celovita teorija kvantne gravitacije.[17]

Kaj izključuje topološka cenzura?

Na podlagi predpostavk, ki vključujejo asimptotično ploskost, globalno hiperboličnost in povprečeni energijski pogoj za ničelne vektorje, topološka cenzura omejuje možnost, da bi bilo mogoče po vzročnih poteh doseči območja prostor-časa z netrivialno topologijo. Če te predpostavke spremenimo, se spremeni tudi to, kaj teorem dokazuje. Topološka cenzura se razlikuje tako od zaščite kronologije kot od kozmične cenzure – obravnavata druga vprašanja.[18]

Kvantne informacije ponujajo nov način za preučevanje geometrije

Zakaj se črvine pojavljajo v raziskavah kvantne prepletenosti?

ER = EPR – hipoteza o povezavi

Maldacena in Susskind sta predlagala povezavo med Einstein-Rosenovimi mostovi in kvantno prepletenostjo. Nekatera kvantno prepletena stanja črnih lukenj je mogoče geometrijsko opisati z mostovi. Širša hipoteza ER = EPR postavlja vprašanje, kako široko velja ta povezava; vsakega prepletenega para pa ne spremeni v uporaben predor.[19]

Prehodnost v nadzorovanih holografskih modelih

Gao, Jafferis in Wall so pokazali, da lahko sklopitev meja konkretnega anti-de Sitterjevega modela ustvari negativno povprečeno ničelno energijo in omogoči prehod skozi njegov most. Ta konstrukcija vključuje natančno določeno interakcijo med obema stranema in ohranja vzročnost.[20]

Takšni modeli so dragoceni, ker je mogoče gravitacijo in kvantno informacijo proučevati z medsebojno dopolnjujočimi se opisi. Njihovi robni pogoji in interakcije so del fizike; sami po sebi pa ne omogočajo odprtja bližnjice med oddaljenimi kraji v našem vesolju.[20]

Kaj so izvedli v eksperimentu s kvantnim procesorjem

Raziskovalci so leta 2022 izvedli poenostavljen kvantni model z uporabo vezja z devetimi kubiti ter preučevali dinamiko teleportacije, ki so jo razlagali z gravitacijskim opisom. Eksperiment je proučeval predlagano povezavo med kvantno dinamiko in fiziko črvin.[21]

»Caltech« je jasno pojasnil, da med eksperimentom ni bila ustvarjena prava prostorsko-časovna črvina. Šlo je za nadzorovan kvantni sistem, ne za portal, skozi katerega bi lahko potoval kak predmet.[22]

Avtorji poznejših raziskav so podvomili, kako trdno poenostavljeni model podpira gravitacijsko razlago; prvotna ekipa je zagovarjala obseg eksperimenta. Ta razprava se nanaša na razlago modela, ne pa na odprt predor, opažen v laboratoriju.[23], [24]

Predvidene značilnosti je treba razlikovati od dejanskih zaznav

Kako bi astronomi lahko iskali črvino?

Raziskovalci izračunavajo, kako bi hipotetične geometrije ukrivljale pot širjenja svetlobe ali vplivale na sevanje snovi v bližini. V nekaterih modelih je lahko slika zelo podobna sliki črne luknje, kadar sta vir in opazovalec na isti strani. Svetloba, ki prihaja skozi vrat z druge strani, lahko ustvari drugačne svetlobne vzorce.[25]

To so napovedi modelov. Da bi bilo preverjanje smiselno, je treba navesti geometrijo, vir svetlobe in pogoje opazovanja. Nenavaden svetel obroč sam po sebi ne bi zadoščal za prepoznavo črvine.[25]

Gravitacijski valovi ponujajo drugačen način iskanja. Nekateri modeli kompaktnih objektov brez horizonta lahko posnemajo začetno fazo pojemajočih nihanj črne luknje, vendar se od nje pozneje razlikujejo. Če trdimo, da smo zaznali razliko, jo je treba skrbno primerjati z običajnimi astrofizikalnimi razlagami, učinki detektorja in temeljnimi predpostavkami vsakega modela.[26]

Nobeno potrjeno opazovanje ni pokazalo, da obstaja prehodna kirmgrauža v prostor-času. Raziskovanje morebitnega signala določene geometrije ali izračun ustreznih enačb na procesorju je nekaj drugega kot zaznava samega objekta v naravi.[22]

Pomen tega vprašanja sega dlje od medzvezdnih potovanj

Kaj bi model spremenilo v fizikalni predlog?

Prepričljiv predlog mora povezati več stvari: geometrijo prostor-časa, skladen vir energije in gibalne količine, način, kako bi takšna konfiguracija lahko nastala, ter opis njenega odziva na motnje. Z vključitvijo dodatne vrste polja ali spremembo teorije gravitacije se spremeni že sama naloga in pojavijo se nove preverljive napovedi.

Tudi matematična rešitev, ki omogoča prehod, ne bi bila nujno udobna za popotnika. Pomembni so plimske sile, sevanje, dimenzije grla in čas, ki je na voljo za prehod. To so ločena vprašanja od tega, ali takšna pot sploh obstaja.[5]

Kirmgraužе so za fiziko še vedno uporabne, saj nas silijo k natančnemu spraševanju o geometriji, energiji in informacijah. Modeli časovnih zank počnejo enako na področju vzročnosti: razkrivajo, katere predpostavke omogočajo napovedovanje poteka dogodkov in kje običajni opisi prenehajo biti zanesljivi.

Znanstvena fantastika si lahko za izhodišče izbere stabilen portal. Fizika sprašuje, kaj bi takšno predpostavko utemeljilo in kateri dokazi bi nam omogočili prepoznati tak objekt v vesolju.

Viri in dodatno branje

Izvirne raziskave relativnosti in kvantnih polj, poročila o laboratorijskih raziskavah ter študije opazovanj, ki temeljijo na modelih. Viri preverjeni septembra 2026; vse ilustracije kirmgrauž so hipotetične.

Inštitut Maxa Plancka za gravitacijsko fiziko — KirmgraužaPredstavljene so hipotetične odprtine, krajše poti in časovni premiki, pri čemer so modeli ločeni od potrjenih fizikalnih objektov.
Morris, Thorne ir Yurtsever (1988) — Kirmgraužos, časovne naprave in šibki energijski pogojV pogojni konstrukciji se različno staranje ustij spremeni v časovni premik skozi domnevno prehodno kirmgraužo.
Einstein ir Rosen (1935) — Dalelių problema bendrojoje reliatyvumo teorijojePradinis tiltas buvo pasiūlytas kaip geometrinis dalelių modelis, kuriame išvengiama lauko singuliarumų.
Collas ir Klein (2011 m. preprintas) — Schwarzschildo kirmgraužos įterpimai ir raida laikeMaksimaliai pratęstu Schwarzschildo tiltu iš vienos jo išorinės srities į kitą negali pereiti net šviesa.
Morris ir Thorne (1988) — Kirmgraužos erdvėlaikyje ir jų naudojimas tarpžvaigždinėms kelionėmsStatinei pereinamai geometrijai būtinas nesinguliarus kaklelis, horizonto nebuvimas ir priimtinos perėjimo sąlygos.
Kontou ir Sanders (2020) — Energijos sąlygos bendrojoje reliatyvumo teorijoje ir kvantinio lauko teorijojeApibrėžiamos nulinė ir silpnoji energijos sąlygos bei jų išraiškos idealiajam skysčiui, įskaitant slėgio vaidmenį.
Fewster (2012) — Paskaitos apie kvantines energijos nelygybesAiškinama kvantinė neigiama energija, atskaitos būsenos indėlio atėmimas ir tinkamai suvidurkintų energijos tankių ribos.
Lamoreaux (1997) — Kazimiro jėgos demonstravimas 0,6–6 mikrometrų intervaleAprašomas Kazimiro jėgos tarp arti vienas kito esančių laidžių paviršių matavimas sukimo svyruokle.
David Tong — Kvantinio lauko teorija, 5 skyrius: Dirako lauko kvantavimasParodoma, kad kvantuotame Dirako lauke dalelės ir antidalelės yra teigiamos energijos sužadinimai virš vakuuminės būsenos.
Ford ir Roman (1996) — Kvantinio lauko teorija riboja pereinamų kirmgraužų geometrijąKvantinės energijos nelygybės taikomos statinėms sferinėms kirmgraužoms ir nustato griežtus jų ilgio mastelio apribojimus.
Chou ir kt. (2010) — Optinės laikrodžiai ir reliatyvumasOptiniais laikrodžiais išmatuoti skirtingi praėjusio laiko intervalai, numatyti pagal judėjimo ir gravitacinio potencialo skirtumus.
Francisco S. N. Lobo (2010) — Zaprte časovne krivulje in kršitev vzročnostiZaprta časovna krivulja se vrne v začetni dogodek v prostor-času, pri tem pa lokalno ostaja usmerjena v prihodnost.
Ellis (2000) — Uredniška opomba o Gödlovih kozmoloških rešitvahGödlov vrteči se, neširijoči se kozmološki model vsebuje zaprte časovne krivulje, vendar ne opisuje opazovanega širjenja vesolja.
Kip S. Thorne (1992) — Zaprte časovne krivuljeČe ustji črvine identificiramo, se lahko v pogojni konstrukciji prostor-časa pojavijo zaprte vzročne poti.
Friedman idr. (1990) — Cauchyjev problem v prostor-časih z zaprtimi časovnimi krivuljamiSamoskladnost zahteva, da se lokalni dogodki ujemajo z globalno rešitvijo; ne potrjuje razvejanih časovnic.
Hawking (1992) — Hipoteza zaščite kronologijeKvantni povratni vpliv je predlagan kot ovira za nastanek zaprtih časovnih krivulj.
Kay, Radzikowski in Wald (1997) — Kvantna teorija polja v prostor-časih s kompaktno generiranim Cauchyjevim horizontomDokazano je, da v osnovnih točkah kompaktno generiranega Cauchyjevega horizonta standardni pogoji regularnosti kvantnih polj ne veljajo več.
Friedman, Schleich in Witt (1993; popravljeni prednatis 1995) — Topološka cenzuraOmejuje vzročni dostop do netrivialne topologije ob predpostavkah asimptotične ravnosti, globalne hiperboličnosti in povprečenega energijskega pogoja za ničelne smeri.
Maldacena in Susskind (2013) — Hladna obzorja povezanih črnih lukenjPredlagana je povezava ER = EPR med kvantno prepletenostjo in geometrijami mostov.
Gao, Jafferis in Wall (2017) — Prehodne črvine z uporabo deformacije dvojne slediInterakcija na meji omogoča prehodnost v nadzorovanem anti-de Sitterjevem modelu, ne da bi pri tem kršila vzročnost.
Jafferis idr. (2022) — Dinamika prehodne črvine v kvantnem procesorjuV eksperimentu z devetimi kubiti je izveden poenostavljen kvantni model, njegova teleportacijska dinamika pa je interpretirana s pomočjo holografije.
Caltech (2022) — Fiziki so s kvantnim računalnikom opazovali dinamiko črvineInstitucija, ki je izvedla eksperiment, jasno pojasnjuje, da prava črvina v prostoru-času ni bila ustvarjena.
Kobrin, Schuster in Yao (2023) — Komentar o dinamiki prehodne črvine v kvantnem procesorjuPostavljeno je vprašanje, ali poenostavljeni model nedvoumno prikazuje zatrjevano gravitacijsko dinamiko.
Jafferis idr. (2023) — Odgovor na komentar o dinamiki črvineAvtorji eksperimenta zagovarjajo svojo razlago in pojasnijo omejitve uporabe modela.
Chen idr. (2024) — Opazni znaki prehodnih črvinaSlike, dobljene z modeli, so lahko podobne slikam črnih lukenj ali pa se od njih razlikujejo, ko svetloba do opazovalcev prispe skozi grlo črvine.
Cardoso, Franzin in Pani (2016) — Ali nam pojemajoča nihanja gravitacijskih valov omogočajo raziskovanje obzorja dogodkov?Modeli kompaktnih objektov brez obzorja dogodkov lahko posnemajo zgodnja pojemajoča nihanja črne luknje, zato je treba poznejše obnašanje skrbno preveriti.

Raziščite naprej · poglavje 09

Narava prostora in časa

Nazaj na spletni dnevnik